Создание планарного градиентного диффузионного волновода методом термического ионного обмена

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Июня 2013 в 20:53, лабораторная работа

Описание работы

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Создание планарного градиентного волновода методом термического ионного обмена.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Подложки для изготовления ионообменных волноводов - полированные пластинки стекла, содержащего в составе ионы щелочных металлов.
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:
Ознакомление с основными методами создания планарных волноводов.
Ознакомление с основными принципами ионного обмена в стеклах.
Изготовление планарного градиентного волновода методом термического ионного обмена.

Файлы: 1 файл

отчет л.р. 2 ИонОбмен.doc

— 151.50 Кб (Скачать файл)

Как уже отмечалось выше, технология ионно-обменной диффузии относительно проста и дешева. Специальных требований к печи нет -атмосфера воздушная, рабочие температуры в пределах 200 - 650°С, стабилизация рабочей температуры ±1°С. Однако для получения однородных по всей поверхности подложки волноводов желателен однородный нагрев всего объема, в котором протекает диффузия и хорошая стабилизация температуры (~ 0,1°С). ТД - технологическая схема представляет собой, как правило, вертикальную шахтную печь с продольным обогревом. Сосуд с расплавляемым веществом помещается в печь в середину нагреваемого участка, что обеспечивает равномерный нагрев. Вертикальное расположение печи позволяет термостатировать ее только снизу и с боковой поверхности. Образующийся градиент температуры за нагреваемой областью направленный вверх позволяет плавно прогревать образец перед погружением в расплав путем постепенного опускания образца вниз к расплаву (Рис.2).

Рис.2. Схема термодиффузионной установки: 1 - печь, 2 - расплав соли, 3 -стеклянная подложка, постепенно опускаемая к расплаву.

Большое прикладное значение имеет профиль показателя преломления (ПП) получаемых ТД-волноводов. Процесс ТД однозначно формирует  градиентный ПП, хотя во многих прикладных задачах (например, согласование волноводов с волоконно-оптическими световодами) требуется более резкий ПП.

Таким образом, создание многомодовых волноводов и  получение волноводов с более  резким ПП во многих случаях в рамках ТД-технологии практически невозможно. Задача получения многомодовых волноводов с резким ПП разрешима, если использовать метод электродиффузии.

Основные отличия  метода электродиффузии от метода ТД заключаются в следующем. Во-первых, процесс ТД есть двунаправленный  процесс: ионы из расплава внедряются в стекло, соответственно ионы из стекла диффундируют в расплав. Процесс электродиффузии в основном однонаправленный процесс - ионы и в расплаве, и в стекле двигаются по полю. Конечно же, протекает и свободный ионный обмен под действием градиента концентрации, т.е. двунаправленный процесс ТД, но доля его в общем однонаправленном поступательном движении ионов по полю крайне мала, особенно для малоподвижных ионов, т.е. когда коэффициенты диффузии такого ТД-процесса малы. Именно благодаря этому моменту удается получать значительно более резкий ПП и именно в такой ситуации наиболее отчетливо проявляются преимущества электродиффузии перед ТД. Следует отметить, что методом электродиффузии возможно обменивать не только ионы щелочных металлов с близкими ионными радиусами, но и вводить такие крупные ионы, как Cs+ и Tl+, термическая диффузия которых сильно заторможена.

Во-вторых, процесс  электродиффузии - объемный процесс, во всем расплаве, на поверхности раздела  расплав-подложка и во всей подложке, в то время как ТД - чисто поверхностный  процесс в тонком слое расплав-подложка.

В-третьих, в  зависимости от величины поля меняется не только скорость ионного обмена, но и при достаточной величине электрического внешнего поля возможно движение каких-либо анионов из подложки на поверхность расплав-подложка, где и формируется волновод. Внутреннее перераспределение заряда, протекающее под действием внешнего поля и, следовательно, создающее внутреннее, собственное поле, возникающее вследствие того, что система подложка - формируемый волновод не успевает придти в термодинамическое равновесие, приводит к значительным изменениям как процесса формирования волновода, так и самого волновода.

Существует  два способа электродиффузии: 1) когда  к системе расплав-подложка прикладывается постоянное электрическое поле и, следовательно, через подложку протекает постоянный ионный ток - электродиффузия постоянного тока (ЭПТ) и 2) импульсная электродиффузией (ИЭД) - когда к системе расплав-подложка прикладывается сильное кратковременное электрическое поле.

Технология  ЭПТ несколько сложнее. Сложности возникают при решении проблемы изоляции 2-х электродов (рис.3 и рис 4).Вследствие капиллярных явлений возможно короткое замыкание электродов, т.к., как правило, при диффузии из расплава, оба электрода являются расплавленными солями диффузантов. Возможна, конечно, твердотельная диффузия. В этом случае короткое замыкание исключено, однако сложности с воспроизводимостью слоев, особые требования к качеству поверхности, низкое приращение показателя преломления, большие потери и т.д. все еще не преодолены. Более перспективным направлением развития ионно-обменной диффузии без жидкой фазы является применение специальных паст.

Рис. 3. Схема  установки электродиффузии постоянного  тока с использованием вакуумного прижима для электроизоляции катода и анода: 1 - тигель, 2 - расплав-анод и расплав-катод (как правило, одинаковые соли), 3 - стеклянная подложка, 4 -вакуумный прижим, 5 - металлические подводящие провода, 6 -к вакуумному насосу.

Следует также  отметить, что ЭПТ- технология используется также и для заглубления волновода. ЭПТ-заглубления, как и ЭПТ-изготовление волноводов применяется для получения более резких, чем у ТД-волноводов профилей ПП

 

 

Рис.4. Схема  установки электродиффузии постоянного  тока с использованием охранного кольца для электроизоляции катода и анода: 1 - тигель; 2 - расплав-анод и расплав-катод; 3 -стеклянная подложка; 4 - охранное кольцо; 5 - металлические подводящие провода; 6 - слой специального клея.

 

Однако, имеется  ряд недостатков. ЭПТ-технология сложнее  ТД-технологии, качество ЭПТ-волноводов низкое. Кроме того, однородность ЭПТ-волноводов по длине образца заметно хуже ТД-волноводов. В основном по этим причинам метод ЭПТ относительно плохо изучен и значительно менее распространен, чем ТД.

Таким образом, среди рассмотренных методов создания градиентных волноводов особое место занимает метод ионообменной диффузии. Этот метод обладает рядом преимуществ - простота, технологичность, воспроизводимость. Диффузионные волноводы могут быть получены - с разнообразными параметрами, на широком наборе силикатных стекол при использовании различных ионов - диффузантов, с хорошим качеством поверхности и однородностью, с низким затуханием и повышенной механической прочностью (для К + - диффузионных волноводов).

3. Некоторые  сведения из теории диффузии.

Ионообменная  реакция представляет собой обратимую  химическую реакцию. В общем виде ее можно записать следующим образом:

{R- - A+} + B+^{R- - B+} + A+,   (1.0)

где R - матрица ионообменного материала с фиксированным ионом; A+ и B+ - подвижные противоионы.

Если рассматривать  реакцию (1) применительно к случаю обработки силикатного стекла с  подвижными ионами A+ в расплаве соли, одержащей ионы B+, то ее кинетика определяется скоростями следующих разделенных во времени и пространстве последовательных стадий: 1) доставки иона В+ из объема расплава к поверхности стекла; 2) доставки иона В+ от поверхности стекла к активным группам R --A+; 3) химической реакции обмена ионов A+ % B+; 4) отвода иона A+ от места обмена к поверхности стекла; 5) отвода иона A+ от поверхности стекла в объем расплава. Совокупное рассмотрение всех стадий ионного обмена трудно осуществимо, поэтому прибегают к упрощению, основанному на известном кинетическом принципе лимитирующей стадии - скорость многостадийного процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. Нетрудно убедиться, что наиболее медленными являются стадии 2 и 4. Поэтому в основу количественных теорий ионного обмена необходимо положить диффузию ионов в стекле.

Диффузия - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией Представления о сути явления и его количественное описание базируются на трех основных подходах: статистическом, термодинамическом и феноменологическом.

Статистический  подход рассматривает перемещение частицы в среде по механизму случайных блужданий. Вероятность осуществления диффундирующей частицей элементарного акта перемещения в конденсированной фазе на расстояние х определяется подвижностью Д которая характеризует как свойства самой частицы, так и свойства среды, и времени t прохождения частицы от одной потенциальной ямы до другой

<x2> = 2kБ/m = 2Dt,  (1.1)

где kБ - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, D -коэффициент диффузии. Из (1.1) следует известное уравнение Нернста-Эйнштейна:

D = kБpT. (1.2)

Согласно термодинамике  необратимых процессов движущей силой переноса вещества i в изотермических условиях является градиент химического потенциала

Ji = Li gradu,  (1.3)

По определению ц^ = ц.0 + RTlnai . Тогда:

Ji = [LiRT/ai] grad ai = - Di grad ai ,   (1.4)

где ai - термодинамическая активность; Li - коэффициент переноса; Ji -диффузионный поток; Di = - LiRT/ai - коэффициент диффузии.

Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного  сечения образца, а также разности концентраций.

По феноменологической теории скорость переноса диффундирующего  вещества через сечение единичной  площади прямо пропорциональна  градиенту концентрации сi в направлении нормальном к плоскости сечения:

Ji = -Di gradci,  (1.5)

dci /dt = div(Di gradci).  (1.6)

Эти уравнения  известны под названием первого  и второго законов Фика. В случае одномерной диффузии они упрощаются:

Ji = -Di (dci /dx),  (1.7)

dci /dt = d/dx [Di (dci /dx)].   (1.8)

Независимые расчеты  по уравнениям (3.3), (3.6) и (3.9) приводят к  одному и тому же значению коэффициента диффузии только в случае самодиффузии и диффузии в идеальных газах и растворах. В общем случае понятие коэффициента диффузии необходимо уточнять в соответствии с особенностями конкретного механизма процесса участвующих в нем частиц и структуры среды.

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом  любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества.

Химический  потенциал μ - один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы. Определение химического потенциала можно записать в виде:

dE = TdS - PdV + μ dN    (1.9)

где Е - энергия системы, S - её энтропия, N - количество частиц в системе.

Эта формула  определяет, кроме химического потенциала μ, также давление P и температуру T.

Можно доказать, что химический потенциал задаётся формулой

NN     (1.10)

где G - потенциал Гиббса.

Если энергия  системы зависит не от объёма, а  от других термодинамических параметров A 1, A 2..., исходная формула принимает вид

dE= TdS-∑ai dAi + µdN  (1.11)

Если в системе  имеется несколько разных типов  частиц, то есть столько же разных химических потенциалов.

Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту  потенциала

J ~ - (dμ /dx)pT (1.12)

В большинстве  практических случаев вместо химического  потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае малых концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:

J = - D ∂ C (1.13)

которая показывает, что плотность потока вещества J [см -2 с -1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [см 2 с -1] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

∂ C = D ∂2 C (1.14)

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. Температурная зависимость коэффициента диффузии подчиняется уравнению Аррениуса

D = AD exp(-UD /RT),  (1.15)

где АD - предэкспоненциальный множитель; UD - кажущаяся энергия (энтальпия) активации; Т - абсолютная температура; R - газовая постоянная. Энергию активации диффузии определяют как

UD = -R [dlnD/d (1/T)]. (1.16)

В результате анализа  методов градиентной технологии в качестве метода изготовления планарных  волноводов в данной работе выбрана  низкотемпературная ионообменная диффузия из расплава солей AgN03 (5 мол.%) - NaN03 (95 мол.%). В качестве объекта исследования будем использовать промышленные силикатные стекла - оптическое бесцветное К-8 и техническое стекло Na28 (предметное стекло для микроскопии). Оба этих стекла имеют в составе катионы Na+.

В процессе формирования поверхностного слоя с повышенным показателем  преломления стеклянный образец  приводится в контакт с расплавом  соли, содержащим ионы, способные обмениваться с ионами стекла. Параметрами ионообменной диффузии, определяющими свойства модифицированного слоя, являются: время контакта стекла с солевым расплавом, температура процесса и состав солевого расплава.

 

 


Информация о работе Создание планарного градиентного диффузионного волновода методом термического ионного обмена